(57)【要約】【課題】触覚の提示に用いられる振動アクチュエータの振動が、力センサに伝達されることを抑制可能な力覚提示装置を提供する。【解決手段】力覚提示装置は、ユーザによって操作される操作部に入力される力を検出する力センサと、ユーザに力覚又は触覚を提示するための振動発生源と、力センサと振動発生源との間に介在する振動減衰部材と、を備える。【選択図】図１５
2018061683.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザによって操作される操作部に入力される力を検出する力センサと、
前記ユーザに触覚を提示するための振動発生源と、
前記力センサと前記振動発生源との間に介在する振動減衰部材と、
を備えた、力覚提示装置。
【請求項２】
前記操作部は、前記ユーザの一部に接触する接触部を有し、
前記振動発生源は、前記接触部の近傍に設けられ、
前記振動減衰部材は、前記接触部の近傍において、前記力センサと前記振動発生源との間に介在する、請求項１に記載の力覚提示装置。
【請求項３】
前記操作部は、前記ユーザにより入力される力を受けて変位する可動部を含む把持インタフェースであって、前記可動部に前記ユーザの指に接触する前記接触部を有し、
前記振動減衰部材は、前記可動部に設けられる、請求項２に記載の力覚提示装置。
【請求項４】
前記操作部はフレーム部を有し、前記接触部は前記フレーム部に片持ち支持された支持部に設けられ、
前記振動減衰部材は、前記フレーム部と前記支持部との間に介在する、請求項２に記載の力覚提示装置。
【請求項５】
前記振動発生源が発生する振動は、前記振動減衰部材を介することなく前記接触部に対して伝達される、請求項２に記載の力覚提示装置。
【請求項６】
前記振動減衰部材は、炭素繊維強化樹脂、ゴム、発泡性スポンジ、発泡性合成樹脂、又は、ゲルの少なくとも１つにより形成される、請求項１に記載の力覚提示装置。
【請求項７】
前記力センサと前記振動発生源との間に介在する振動周波数帯域制限部をさらに備える、請求項１に記載の力覚提示装置。
【請求項８】
前記振動周波数帯域制限部は、所定の周波数未満の帯域の振動を前記力センサ側に伝達する、請求項７に記載の力覚提示装置。
【請求項９】
前記振動周波数帯域制限部は、前記振動発生源側から前記力センサに伝達させる振動周波数の帯域に応じた弾性又は剛性を有する、請求項７に記載の力覚提示装置。
【請求項１０】
前記振動周波数帯域制限部は、弾性構造又はばね構造を有する、請求項７に記載の力覚提示装置。
【請求項１１】
前記操作部は、前記ユーザの一部に接触する接触部を有し、
前記振動発生源は、前記接触部の近傍に設けられ、
前記振動周波数帯域制限部は、前記接触部の近傍において、前記力センサと前記振動発生源との間に介在する、請求項７に記載の力覚提示装置。
【請求項１２】
前記操作部は、前記ユーザにより入力される力を受けて変位する可動部を含む把持インタフェースであって、前記可動部に前記ユーザの指に接触する前記接触部を有し、
前記振動周波数帯域制限部は、前記可動部に設けられる、請求項１１に記載の力覚提示装置。
【請求項１３】
前記操作部はフレーム部を有し、前記接触部は前記フレーム部に片持ち支持された支持部に設けられ、
前記振動周波数帯域制限部は、片持ち支持構造に設けられた弾性構造からなる、請求項１１に記載の力覚提示装置。
【請求項１４】
前記力覚提示装置は、マスタスレーブ装置のマスタ側装置である、請求項１に記載の力覚提示装置。
【請求項１５】
前記力覚提示装置は、医療用の術具の遠隔操作を行う入力装置である、請求項１４に記載の力覚提示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、力覚提示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、内視鏡外科手術を施す際に用いられる医療ロボットシステムとして、患者の体を大きく切開することなく患部へのアプローチを可能とするマスタ−スレーブ方式の医療ロボットシステムが知られている。かかる医療ロボットシステムでは、医師等の術者（ユーザ）が入力インタフェースを備えたマスタ装置を操作し、鉗子又は攝子等の医療用術具を備えたスレーブ装置が術者の操作にしたがって遠隔操作される。スレーブ装置は、例えば、先端に術具が保持されるアームロボットとして構成され、腹腔内において高い自由度及び広い可動域で術具の位置又は姿勢を変化させることができる。かかる医療ロボットシステムでは、スレーブ装置に発生する力が術者に伝達されない場合、術者が移動操作量や力加減を誤ってしまい、患者の生体組織に損傷を与えるおそれがある。【０００３】
そこで、スレーブ装置に発生する力をマスタ装置に提示するバイラテラル制御を採用した医療ロボットシステムが知られている。バイラテラル制御においては、スレーブ装置とマスタ装置との間で、術具及び入力インタフェースの位置及び力を一致させるようにフィードバック制御が行われる。かかるバイラテラル制御を採用した医療ロボットシステムとして、マスタ装置に設けられた力センサにより検出されるユーザの入力操作の力に応じて力覚提示が行われるようにされた装置がある。【０００４】
例えば、特許文献１には、互いに直交する３軸（ｘ，ｙ，ｚ）方向の力成分をそれぞれ検出する３つの力センサと、ロール角、ピッチ角、及びヨー角をそれぞれ検出する３つの角度センサと、ｘｙｚ座標系上のデンタルツールハンドルの先端位置をそれぞれ検出する３つの位置センサとを備えたマスタ装置が開示されている。かかるマスタ装置は、多自由度のパラレルリンク構造と力センサとを有する力覚提示装置であり、力センサにより検出されるユーザの入力操作の力に応じてパラレルリンク構造の姿勢を制御するアクチュエータの駆動制御が行われる。【０００５】
また、医療用装置に適用可能な技術として、特許文献２には、操作状況の表現として、疑似的圧覚・触覚を、振動を用いて表現する圧覚・触覚提示装置が開示されている。かかる圧覚・触覚提示装置は、鉗子等の術具と対象物との接触状況を圧覚・触覚センサにより検出し、当該圧覚・触覚センサの出力に応じてボイスコイル等の圧覚・触覚提示デバイスを駆動して、ユーザの指先に圧覚・触覚を伝達する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第８７１６９７３号明細書
【特許文献２】特開平０８−２５４４７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、特許文献１に記載されたような力覚提示装置に、特許文献２に記載されたような圧覚・触覚提示デバイス（振動アクチュエータ）を搭載した場合、力センサに振動アクチュエータの振動が伝達されるおそれがある。かかる振動アクチュエータの振動は、バイラテラル制御においてはノイズとなるため、バイラテラル制御に悪影響を及ぼす可能性がある。【０００８】
そこで、本開示では、圧覚・触覚（以下、総じて「触覚」とも言う。）の提示に用いられる振動アクチュエータの振動が、力センサに伝達されることを抑制可能な、新規かつ改良された力覚提示装置を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示によれば、ユーザによって操作される操作部に入力される力を検出する力センサと、ユーザに力覚又は触覚を提示するための振動発生源と、力センサと振動発生源との間に介在する振動減衰部材と、を備えた、力覚提示装置が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように本開示によれば、触覚の提示に用いられる振動アクチュエータの振動が、力センサに伝達されることを抑制することができる。【００１１】
なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、または本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本開示の実施形態に係る力覚提示装置を適用可能な医療ロボットシステムの構成例を示す説明図である。
【図２】同実施形態に係る力覚提示装置を示す斜視図である。
【図３】同実施形態に係る力覚提示装置の使用例を示す説明図である。
【図４】同実施形態に係る力覚提示装置を示す斜視図である。
【図５】同実施形態に係る力覚提示装置の側面図である。
【図６】同実施形態に係る力覚提示装置の底面図である。
【図７】同実施形態に係る力覚提示装置の上面図である。
【図８】同実施形態に係る力覚提示装置の内部構造を示す説明図である。
【図９】動力伝達機構を拡大して示す説明図である。
【図１０】図９に示す動力伝達機構を矢印Ａの方向に見た図である。
【図１１】動力伝達機構の斜視図である。
【図１２】力覚提示装置の使用状態を示す説明図である。
【図１３】振動伝達抑制構造の構成例を示す斜視図である。
【図１４】振動伝達抑制構造の構成例を示す上面図である。
【図１５】振動伝達抑制構造の構成例を示す断面図である。
【図１６】接触部を支持する支持部の構成例を示す斜視図である。
【図１７】力センサに伝達される振動の大きさを周波数ごとに示す説明図である。
【図１８】振動伝達抑制構造の第１の変形例を示す断面図である。
【図１９】振動伝達抑制構造の第２の変形例を示す断面図である。
【図２０】振動伝達抑制構造の第３の変形例を示す断面図である。
【図２１】振動伝達抑制構造の第３の変形例を示す断面図である。
【図２２】振動伝達抑制構造の第４の変形例を示す断面図である。
【図２３】振動伝達抑制構造の第５の変形例を示す断面図である。
【図２４】振動伝達抑制構造の第６の変形例を示す断面図である。
【図２５】振動伝達抑制構造の第７の変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１４】
なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．医療ロボットシステムの構成例
２．力覚提示装置（マスタ装置）の全体構成例
３．操作部
３−１．全体構成例
３−２．振動伝達抑制構造
３−３．変形例
４．まとめ
【００１５】
＜１．医療ロボットシステムの構成例＞
図１を参照して、本開示の実施形態に係る力覚提示装置を適用可能な医療ロボットシステムの構成例を説明する。図１に示した医療ロボットシステム１は、マスタ−スレーブ方式の医療ロボットシステムである。かかる医療ロボットシステム１において、ユーザがマスタ装置６０を操作することで、スレーブ装置９０に対して、有線又は無線の通信手段により操作指令が送信され、スレーブ装置９０が遠隔操作される。本実施形態に係る力覚提示装置は、マスタ装置６０に適用され得る。
【００１６】
遠隔操作されるスレーブ装置９０は、例えば、６自由度を有するアームを備え、当該アームの先端に鉗子が取り付けられた鉗子ユニットであってもよい。スレーブ装置９０は、鉗子の代わりに、攝子又は切断器具等の医療用術具を有してもよい。スレーブ装置９０は、マスタ装置６０からの操作指令に基づいて鉗子の位置や向きを変化させ、また、鉗子による把持動作を行う。また、マスタ装置６０は、例えば、ユーザによって把持される把持型の操作部と、当該操作部が先端に取り付けられた６自由度を有するアームとを備えたアーム装置であってもよい。ユーザは、マスタ装置６０の操作部の位置及び姿勢を変位させることで、スレーブ装置９０の鉗子の位置及び姿勢を遠隔操作する。また、ユーザは、マスタ装置６０の操作部の把持動作を行うことで、スレーブ装置９０の鉗子の把持動作を遠隔操作する。
【００１７】
図１を参照すると、医療ロボットシステム１は、スレーブ装置９０と、マスタ装置６０と、制御装置７９と、第１の振動伝達部７０と、第２の振動伝達部８０とを備える。制御装置７９は、マスタ装置６０を介して入力される指示に応じてスレーブ装置９０を駆動させる。第１の振動伝達部７０は、スレーブ装置９０に設けられた触覚振動センサ９７によって検出された振動を、マスタ装置６０に伝達する。第２の振動伝達部８０は、スレーブ装置９０に設けられた聴覚振動センサ９９によって検出された振動を、マスタ装置６０に伝達する。
【００１８】
なお、図１に示すブロック図では、本開示の説明のために特に必要となる構成のみが示されている。医療ロボットシステム１は、図示した構成要素以外にも、一般的なマスタ−スレーブ方式の医療ロボットシステムが有する各種の構成要素を備えてもよい。
【００１９】
医療ロボットシステム１では、情報伝達の系統が、スレーブ装置９０の駆動制御及び術者への力覚提示を行うための系統と、スレーブ装置９０側で検出された振動を術者へ伝達するための系統とに大別される。以下、情報伝達の系統ごとに分けて、医療ロボットシステム１について簡単に説明する。
【００２０】
まず、スレーブ装置９０の駆動制御及び術者への力覚提示を行うための系統について説明する。スレーブ装置９０の駆動制御においては、術者がマスタ装置６０のアームの先端に取り付けられた操作部を操作することで、スレーブ装置９０のアームを駆動するための指示を示す情報がマスタ装置６０から制御装置７９に送信される。上述した鉗子のように、術具が駆動部位を有する場合には、当該術具を駆動するための指示を示す情報も、併せてマスタ装置６０から制御装置７９に送信され得る。本実施形態において、マスタ装置６０は、把持型の操作部を有している。かかる操作部の構成は後で詳しく説明する。
【００２１】
マスタ装置６０は、スレーブ装置９０の駆動制御及び力覚提示を行うための構成要素として、力センサ（トルクセンサ）６１、回転角度センサ６３、及びモータ６５を備える。力センサ６１は、例えば、アームと、当該アームの先端に取り付けられた操作部との接続部分に設けられて、互いに直交する３軸方向に作用する力を検出する。つまり、力センサ６１により、術者によって操作部に入力される力が検出される。また、回転角度センサ６３は、アームの複数の関節部に設けられ、各関節部の回転角度を検出する。回転角度センサ６３は、例えば、エンコーダであってもよい。
【００２２】
制御装置７９は、力センサ６１及び回転角度センサ６３から入力される情報に基づき、スレーブ装置９０の駆動制御に係る各種の演算を行う。例えば、制御装置７９は、力制御によりスレーブ装置９０の駆動制御を行う場合、力センサ６１により検出される操作部に作用する力に基づいて、スレーブ装置９０のアームの各モータ９５に発生させるべきトルクを算出する。また、制御装置７９は、位置制御によりスレーブ装置９０の駆動制御を行う場合、回転角度センサ６３により検出されるアームの各関節部の回転角度に基づいて、スレーブ装置９０のアームの各関節部の回転角度の目標値を算出する。また、スレーブ装置９０の術具が駆動部位を有する場合には、当該術具を駆動するための制御量が制御装置７９により算出され得る。
【００２３】
本実施形態では、スレーブ装置９０の駆動制御の方式としては、各種の公知の制御方式が用いられてよい。制御装置７９としては、採用された制御方式に適合したものが適宜構築され得る。制御装置７９の具体的な構成は、各種の制御方式に応じた既存のものと同様であってよいため、その詳細な説明は省略する。
【００２４】
スレーブ装置９０は、アームの駆動制御及び力覚提示に用いられる構成要素として、力センサ（トルクセンサ）９１、回転角度センサ９３、及びモータ９５を備える。制御装置７９により算出された制御量に応じた駆動信号は、スレーブ装置９０のモータ９５に送信される。モータ９５は、例えば、アームの複数の関節部に設けられ、各関節部を回転駆動する。モータ９５は、例えば、サーボモータであってもよい。制御装置７９によって算出された制御量に応じてモータ９５が駆動することにより、術者がマスタ装置６０を介して指示したようにアームが動作する。また、術具が駆動部位を有する場合には、制御装置７９は、当該駆動部位を動作させるためのモータの駆動信号を送信し得る。制御装置７９によって算出された制御量に応じて当該モータが駆動することにより、術者がマスタ装置６０を介して指示したように術具が動作する。
【００２５】
力センサ９１は、術具に対して作用する外力を検出する。力センサ９１は、例えば、アームの複数の関節部に設けられ、各関節部に作用する力（トルク）を検出する。回転角度センサ９３は、例えば、アームの複数の関節部に設けられ、各関節部の回転角度を検出する。回転角度センサ９３は、例えば、エンコーダであってもよい。これらの力センサ９１及び回転角度センサ９３により検出された情報は、制御装置７９に送信される。制御装置７９は、当該情報に基づいてアームの現在の状態を逐次把握し、アームの現在の状態も考慮して上述した制御量を算出する。
【００２６】
ここで、力センサ９１によって検出される各関節部に作用する力には、アームの先端に取り付けられた術具に作用する力が反映され得る。制御装置７９は、力センサ９１によって検出された各関節部に作用する力の中から、術具に作用する力の成分を抽出し、マスタ装置６０のモータ６５の制御量を算出する。モータ６５は、例えば、サーボモータであってもよい。制御装置７９は、術具に作用する力に応じて、例えば、術者による操作部への操作入力に対して抵抗を与えるようにアームを駆動させることにより、術具に作用する力を術者に対して提示する。このように、医療ロボットシステム１は、術具に作用した力を検出し、当該力を術者に対してフィードバックする機能を備えている。
【００２７】
次に、スレーブ装置９０側で検出された振動を術者へ伝達するための系統について説明する。スレーブ装置９０は、術者への振動伝達に用いられる要素として、触覚振動センサ９７及び聴覚振動センサ９９を備える。触覚振動センサ９７及び聴覚振動センサ９９は、例えば、術具の基端側に取り付けられてもよい。触覚振動センサ９７は、術具に生じた触覚振動を検出し、聴覚振動センサ９９は、術具に生じた聴覚振動（すなわち、音）を検出する。触覚振動センサ９７は、例えば、加速度センサであってもよい。聴覚振動センサ９９は、例えば、コンデンサマイクであってもよい。
【００２８】
触覚振動センサ９７により検出された触覚振動を示す信号は、第１の振動伝達部７０に入力される。第１の振動伝達部７０は、入力された触覚振動を示す信号に基づいて、マスタ装置６０の振動発生源６７の駆動信号を生成する。具体的には、第１の振動伝達部７０は、入力された触覚振動を示す信号を増幅器７１で増幅処理した後、周波数特性補正回路７３で振動周波数の補正処理を行い、さらにバンドパスフィルタ７５でフィルタリング処理を行った後に、駆動回路７７に出力する。駆動回路７７は、入力された信号に基づいてマスタ装置６０の振動発生源６７を駆動させる。これにより、スレーブ装置９０で検出された触覚振動に対応する振動が振動発生源６７により生成され、術具に生じた触覚振動が術者に対して伝達される。振動発生源６７は、例えば、ピエゾ式振動アクチュエータ、ボイスコイルモータ式振動アクチュエータ、リニア振動アクチュエータ、ＥＲＭ（Eccentric  Rotating  Mass）式振動アクチュエータ、又はＥＰＡＭ（Electroactive  Polymer  Artifical  Muscle）式振動アクチュエータのうちのいずれか１つであってもよい。
【００２９】
聴覚振動センサ９９により検出された聴覚振動を示す信号は、第２の振動伝達部８０に入力される。第２の振動伝達部８０は、入力された聴覚振動を示す信号に基づいて、マスタ装置６０のスピーカ６９の駆動信号を出力する。具体的には、第２の振動伝達部８０は、入力された聴覚振動を示す信号を増幅器８１で増幅処理した後、周波数特性補正回路８３で振動周波数の補正処理を行い、さらにバンドパスフィルタ８５でフィルタリング処理を行った後に、駆動回路８７に出力する。駆動回路８７は、入力された信号に基づいてマスタ装置６０のスピーカ６９を駆動させる。これにより、スレーブ装置９０で検出された聴覚振動に対応する音声がスピーカ６９から出力され、術具に生じた聴覚振動が術者に対して伝達される。
【００３０】
なお、制御装置７９の機能の一部又は全部が、スレーブ装置９０又はマスタ装置６０の少なくとも一方に備えられてもよい。また、第１の振動伝達部７０及び第２の振動伝達部８０の各構成要素の一部又は全部が、スレーブ装置９０又はマスタ装置６０の少なくとも一方に備えられてもよい。
【００３１】
＜２．力覚提示装置（マスタ装置）の全体構成例＞
次に、図２を参照して、本実施形態に係る力覚提示装置としてのマスタ装置６０の全体構成について説明する。図２は、本実施形態に係るマスタ装置６０の斜視図を示す。図２に示すマスタ装置６０は、支持アーム部２０と、本体部３０と、ベース部４０と、操作部１００とを備える。ベース部４０は、マスタ装置６０の基台部分であり、例えばアルミニウム製のフレーム材を組み合わせて構成されてもよい。ただし、ベース部４０の構成はかかる例に限定されない。ベース部４０には、支持台５０が取り付けられている。術者は、支持台５０に肘又は腕を載せた状態で操作部１００を操作することで、操作の安定性を得ることができる。なお、支持台５０は、ベース部４０に取り付けられていなくてもよく、マスタ装置６０の構成要素に含まれていなくてもよい。
【００３２】
支持アーム部２０は、基端側で本体部３０に支持される。支持アーム部２０の先端側には、操作部１００が取り付けられている。支持アーム部２０は、第１のアーム部２０ａと、第２のアーム部２０ｂと、第３のアーム部２０ｃと、第４のアーム部２０ｄとを有する。第１のアーム部２０ａ、第２のアーム部２０ｂ、及び第３のアーム部２０ｃのそれぞれの先端側は第４のアーム部２０ｄに連結され、基端側は本体部３０に連結される。本体部３０には、第１のアーム部２０ａ、第２のアーム部２０ｂ、及び第３のアーム部２０ｃと本体部３０との連結部分の回転を制御する３つのモータ６５（１つは不図示）が備えられる。
【００３３】
第１のアーム部２０ａ、第２のアーム部２０ｂ、及び第３のアーム部２０ｃは、それぞれ複数のリンク部が互いに回動可能に直列に連結されて構成される。また、第１のアーム部２０ａ、第２のアーム部２０ｂ、及び第３のアーム部２０ｃと、第４のアーム部２０ｄとの連結部分も互いに回動可能に連結されている。さらに、第１のアーム部２０ａ、第２のアーム部２０ｂ、及び第３のアーム部２０ｃと、本体部３０との連結部分も互いに回動可能に連結されている。
【００３４】
これらの複数のリンク部あるいはアーム部の連結部分が関節部となって、当該関節部を中心に、それぞれのリンク部あるいはアーム部の角度が自由に変化し得る。これにより、支持アーム部２０の先端側に取り付けられた操作部１００の空間上の位置が自由に変化し得る。また、第４のアーム部２０ｄは、複数のアームが連結されて構成され、それぞれのアームは、軸回転可能になっている。これにより、支持アーム部２０の先端側に取り付けられた操作部１００の向きが自由に変化し得る。
【００３５】
第１のアーム部２０ａ、第２のアーム部２０ｂ、及び第３のアーム部２０ｃと、本体部３０とのそれぞれの連結部分には、各アーム部の回転角度を検出するためのエンコーダが設けられている。また、第４のアーム部２０ｄには、各アームの軸回転角度を検出する複数のエンコーダが設けられている。エンコーダは回転角度を検出するセンサの一例であり、他のセンサに置き換えられてもよい。これらのエンコーダによって検出された回転角度を示す信号は、上述の制御装置７９に送信される。
【００３６】
操作部１００は、図示しないスレーブ装置に支持された術具を動作させるための把持インタフェースとして機能する。術者が、操作部１００の位置や向きを変化させることにより、支持アーム部２０の姿勢が変化し、関節部の回転角度やアームの軸回転角度が変化する。操作部１００と第４のアーム部２０ｄとの接続部分には力センサ６１が設けられている。かかる力センサ６１によって、術者により操作部１００に対して入力される力が検出される。
【００３７】
上述の制御装置７９は、マスタ装置６０に備えられたエンコーダにより検出される回転角度の情報に基づき、スレーブ装置のアームの姿勢を制御して、スレーブ装置に支持された術具の位置や向きを変化させる。このとき、制御装置７９は、スレーブ装置の術具に対して作用する外力を検出し、当該外力に基づいて３つのモータ６５を駆動制御することにより術者によって操作される操作部１００の動きに対して反力を付与し、術者に対して、操作部１００の移動動作に対する力覚を提示する。
【００３８】
また、ユーザが、操作部１００の把持動作を行うことにより、制御装置７９は、操作部１００から把持動作の操作量を示す信号を取得し、当該信号に基づいて、スレーブ装置に取り付けられた術具に把持動作を行わせる。このとき、制御装置７９は、スレーブ装置に取り付けられた術具の把持動作時に対する反力を検出し、当該反力に基づいて操作部１００に備えられた図示しないモータを駆動制御することによって、術者に対して、操作部１００の把持動作に対する力覚を提示してもよい。
【００３９】
また、操作部１００は、ボイスコイルモータ等の図示しない振動発生源を有する。上述の第１の振動伝達部７０は、スレーブ装置の術具に生じる触覚振動を検出し、当該触覚振動に基づいて振動発生源を駆動制御することによって、術者に対して触覚を提示する。さらに、マスタ装置６０は、図示しないスピーカを有する。上述の第２の振動伝達部８０は、スレーブ装置の術具に生じる聴覚振動を検出し、当該聴覚振動に基づいてスピーカを駆動することによって、音声を出力する。
【００４０】
なお、関節部の回転角度及びアームの軸回転角度を検出する回転角度センサを含む支持アーム部２０は、従来公知の支持アーム装置を用いて構成し得るものであり、支持アーム部２０の構成についての詳細な説明は省略する。
【００４１】
図３は、本実施形態に係るマスタ装置６０の使用例を示している。図３においては、右手用及び左手用の２台のマスタ装置６０Ｒ，６０Ｌが併設されている。術者は、両腕又は両肘を支持台５０上に載せ、右手及び左手でそれぞれ操作部１００Ｒ，１００Ｌを把持する。この状態で、術者は、術野が表示されるモニタ２１０を見ながら操作部１００Ｒ，１００Ｌを操作する。術者は、それぞれの操作部１００Ｒ，１００Ｌの位置及び向きを変位させることにより、それぞれ図示しないスレーブ装置に取り付けられた術具の位置又は向きを遠隔操作し、あるいは、それぞれの術具による把持動作を行ってもよい。
【００４２】
＜３．操作部＞
次に、本実施形態に係るマスタ装置６０に取り付けられた操作部１００の構成例について説明する。
【００４３】
（３−１．全体構成例）
まず、図４〜図８を参照して、操作部１００の全体構成例について説明する。図４は、操作部１００の斜視図であり、図５は、図４の操作部１００を手前側から見た側面図である。また、図６は、図４の操作部１００を下方側から見た底面図であり、図７は、図４の操作部１００を上方側から見た上面図である。さらに、図８は、操作部１００の内部構造を示す説明図であって、図４の操作部１００を奥側から見た内部透視図である。
【００４４】
操作部１００は、内部にモータ１８７及びエンコーダ１８５を収容する筐体１０１を有する。筐体１０１は、ユーザが把持しやすいように、全体として長尺の棒状の外形を有する。すなわち、操作部１００は、いわゆるスタイラス型の把持インタフェースとなっている。かかる操作部１００は、先端側において、マスタ装置６０の第４のアーム部２０ｄに取り付けられる。操作部１００の先端側と第４のアーム部２０ｄとの接続部分には、力センサ６１が設けられている。
【００４５】
エンコーダ１８５は、モータ１８７の回転角度を検出する回転角度センサの一例である。モータ１８７の回転角度を検出するセンサは、エンコーダ１８５に限られない。モータ１８７の出力軸は、操作部１００の長手方向に沿って配置されており、操作部１００の先端側に配置されたプーリ１７０に接続される。これにより、モータ１８７の駆動トルクによってプーリ１７０が軸回転可能になっている。プーリ１７０は、筐体１０１の外部に露出しており、操作部１００の一側面側において、プーリ１７０の外周面１７１にレール部１２０が対向する。プーリ１７０の外周面１７１は、モータ１８７の出力軸の軸線に一致する円錐軸を有する仮想円錐面の一部により形成される。
【００４６】
筐体１０１の後端側には回転軸部材１５１が設けられている。回転軸部材１５１の両端は、軸受部１５５及び筐体１０１により支持されている。回転軸部材１５１には、フレーム部としてのマスタフレーム１１０が回転軸部材１５１を中心に回動自在に連結されている。かかる回転軸部材１５１を中心に回動するマスタフレーム１１０、及びマスタフレーム１１０に取り付けられた構成要素全体が、本開示における可動部に相当する。
【００４７】
マスタフレーム１１０は、操作部１００の一側面側に、長手方向に沿って配置された長尺の部材であり、回転軸部材１５１の軸方向に対して交差する方向に沿って延在する。マスタフレーム１１０の先端側の適宜の位置には、マスタフレーム１１０の回転方向に対して交差し、かつ、操作部１００の長手方向に沿って延在する面を有する接触部１０５が設けられている。接触部１０５は、支持部１０９を用いてマスタフレーム１１０に取り付けられている。接触部１０５は、例えばユーザの人差し指が載置される載置部１０７を有する。載置部１０７は、術者の指の形に適合しやすいように、アーチ状に凹んだ形状を有する。術者は、筆記用のペンを握るようにして操作部１００を把持し、その際に、人差し指を載置部１０７に載せて、マスタフレーム１１０を回動させることができる。
【００４８】
また、接触部１０５の近傍には振動発生源６７が設けられている。具体的に、支持部１０９のうち、接触部１０５が配置された面の裏面側には、振動発生源６７が取り付けられている。本実施形態では、振動発生源６７としてボイスコイルモータ式の振動アクチュエータが用いられているが、他の振動発生源であってもよい。かかる振動発生源６７は、載置部１０７に載せられる術者の指に伝達させる振動を発生し、スレーブ装置の術具に作用する触覚振動を術者に対して提示する。
【００４９】
また、マスタフレーム１１０の先端側には、マスタフレーム１１０の回転方向に向かって延在するレール部１２０が設けられている。レール部１２０は、略円弧状の外形を有し、マスタフレーム１１０の回動に伴って、レール部１２０の延在方向に沿って回動する。すなわち、レール部１２０は、回転軸部材１５１を中心に回転する。レール部１２０は、プーリ１７０の外周面１７１に対向する対向面１２８を有する。対向面１２８は、回転軸部材１５１を円錐軸とする仮想円錐面の一部により形成される。
【００５０】
プーリ１７０のワイヤ溝１７３には、ワイヤ１３５が巻き付けられている。かかるワイヤ１３５の両端部は、レール部１２０上に配設され、ワイヤ１３５の中央部がプーリ１７０に巻き付けられている。ワイヤ１３５は、動力を伝達する部材として機能し、モータ１８７により生成される駆動トルクが、プーリ１７０及びワイヤ１３５を介して、レール部１２０に伝達される。一方、レール部１２０の回動に伴って、レール部１２０の回転トルクが、ワイヤ１３５及びプーリ１７０を介して、モータ１８７にも伝達され得る。
【００５１】
上述のように、操作部１００と支持アーム部２０の第４のアーム部２０ｄとの接続部分には、力センサ６１が設けられている。力センサ６１は、術者によって操作される操作部１００に対して入力される３方向６軸成分の力及び捻じれを検出する６軸力センサであってもよい。力センサ６１は、操作部１００に対して並進力あるいは捻じり方向の力が付与されたときに、当該力のモーメントに対応する出力を生成する。スレーブ装置の術具の位置及び向きを力制御する場合、上述の制御装置７９は、力センサ６１によって操作部１００に入力された力モーメントを検出し、当該力モーメントに基づいてスレーブ装置のアームの姿勢を制御する。これにより、スレーブ装置に取り付けられた術具の位置及び向きをスムーズに制御することができる。
【００５２】
かかる操作部１００において、モータ１８７及びエンコーダ１８５は、それぞれ図示しないケーブル等により、上述の制御装置７９に電気的に接続される。操作部１００に入力される力を検出する力センサ６１も、制御装置７９に電気的に接続される。また、振動発生源６７は、上述の第１の振動伝達部７０に電気的に接続される。これにより、エンコーダ１８５及び力センサ６１の検出信号が制御装置７９に出力されるとともに、制御装置７９からモータ１８７に対して駆動信号が入力される。また、第１の振動伝達部７０の駆動回路から振動発生源６７に対して駆動信号が入力される。
【００５３】
図９は、プーリ１７０及びレール部１２０の周辺を拡大して示す説明図である。図１０は、図９のＡ矢視図である。図１１は、プーリ１７０及びレール部１２０の周辺を拡大して示す斜視図である。操作部１００に設けられたモータ１８７の駆動トルクは、プーリ１７０及びワイヤ１３５を介してレール部１２０に伝達され得る。また、術者によってレール部１２０が回動させられたときの回転トルクは、ワイヤ１３５及びプーリ１７０を介してモータ１８７に伝達され得る。
【００５４】
モータ１８７の駆動力によって回転されるプーリ１７０は、モータ１８７の出力軸の軸線に一致する円錐軸を有する仮想円錐面の一部により形成された外周面１７１を有する。すなわち、かかる外周面１７１は、テーパ形状を成している。プーリ１７０の外周面１７１には、外周面１７１上を旋回する螺旋状のワイヤ溝１７３が設けられている。レール部１２０は、プーリ１７０の外周面に対向する対向面１２８を有する。かかる対向面１２８は、回転軸部材１５１の軸線を円錐軸とする仮想円錐面の一部により形成される。レール部１２０の対向面１２８には、ワイヤ１３５をガイドするための第１のガイド部１２１及び第２のガイド部１２３が、第２の仮想円錐面の周方向に沿って設けられている。第１のガイド部１２１及び第２のガイド部１２３は、例えば、それぞれ対向面１２８から突出する所定長さの壁部とすることができる。
【００５５】
プーリ１７０には、プーリ１７０の回転トルクをレール部１２０に伝達するための手段としてのワイヤ１３５が巻き付けられている。ワイヤ１３５は、プーリ１７０の外周面１７１に形成された螺旋状のワイヤ溝１７３に沿って捲回されている。プーリ１７０のうちの直径が大きい前方側から導出されるワイヤ１３５は、第１のガイド部１２１によってガイドされて配設される。また、プーリ１７０のうちの直径が小さい後方側から導出されるワイヤ１３５は、第２のガイド部１２３によってガイドされて配設される。
【００５６】
第１のガイド部１２１に沿って配設されるワイヤ１３５の端部は、レール部１２０に設けられた孔１２５を介して、対向面１２８の背面側に導かれ、ネジ等の固定手段に固定される。また、ワイヤ１３５の両端部のうち、第２のガイド部１２３に沿って配設されるワイヤ１３５の端部は、レール部１２０に設けられた孔１２７を介して、対向面１２８の背面側に導かれ、レール部１２０の背面側に固定されたスプリング１３０の一端に固定される。これにより、スプリング１３０の弾性力を利用してワイヤ１３５に張力が付与され、プーリ１７０及びレール部１２０上でのワイヤ１３５の弛みを抑制することができる。スプリング１３０は、ワイヤ１３５に張力を付与するための構成の一例であって、他の張力発生部が採用されてもよい。
【００５７】
ここで、レール部１２０の対向面が円錐面の一部により形成されているために、ワイヤ１３５の張力によって、ワイヤ１３５がレール部１２０の対向面１２８上を滑り、プーリ１７０への送出し位置あるいは巻き取り位置からずれるおそれがある。このため、レール部１２０の対向面１２８には第１のガイド部１２１及び第２のガイド部１２３が設けられ、レール部１２０上のワイヤ１３５は、張力によって第１のガイド部１２１又は第２のガイド部１２３に押し付けられる。これにより、ワイヤ１３５の位置ずれが防止されている。このとき、第１のガイド部１２１及び第２のガイド部１２３に沿って配設されるワイヤ１３５は、プーリ１７０の回転角度及びレール部１２０の位置にかかわらず、プーリ１７０の巻き取り位置あるいはプーリ１７０からの送出し位置に位置するようになっている。したがって、プーリ１７０に巻き付けられるワイヤ１３５が、ワイヤ溝１７３に沿って適切に配設され、レール部１２０とプーリ１７０との間でスムーズに動力伝達させることができる。
【００５８】
図１２は、術者がマスタフレーム１１０及びレール部１２０を回動させる様子を示している。図１２の上段には、マスタフレーム１１０及びレール部１２０が原点位置に置かれた状態が示されている。このとき、プーリ１７０は、レール部１２０の先端部に対向している。また、図１２の中段には、マスタフレーム１１０及びレール部１２０が、可動域の半分程度まで押し込まれた状態が示されている。このとき、プーリ１７０は、レール部１２０の中央部に対向している（図９を参照）。さらに、図１２の下段には、マスタフレーム１１０及びレール部１２０が最も押し込まれた状態が示されている。このとき、プーリ１７０は、レール部１２０の基部側で対向面１２８に対向している。このようにして、術者は、人差し指等により接触部１０５を押し込むことによって、操作部１００の把持動作を行うことができる。
【００５９】
マスタフレーム１１０及びレール部１２０の回動に伴って、プーリ１７０が回転し、モータ１８７の出力軸も回転する。上述の制御装置７９は、エンコーダ１８５によって検出されるモータ１８７の回転角度の情報を受け取り、当該回転角度の変化に基づいてスレーブ装置の術具の駆動部位を駆動させて、術具に把持動作を行わせる。また、上述の第１の振動伝達部７０は、スレーブ装置の術具に作用する触覚振動に基づき振動発生源６７を駆動し、術者に触覚を提示する。
【００６０】
（３−２．振動伝達抑制構造）
ここで、操作部１００は、術者に対して触覚を提示するために用いられる振動発生源６７が生成する振動が力センサ６１に伝達されることを抑制するための振動伝達抑制構造を有する。つまり、力センサ６１は、術者による操作部１００の操作により発生する力を検出するセンサであるため、操作部１００には、振動発生源６７の振動の力センサ６１への伝達を抑制するための構造が設けられている。
【００６１】
図１３〜図１６は、振動伝達抑制構造を示す説明図である。図１３は、操作部１００を後端側から見た斜視図であり、図１４は、マスタフレーム１１０に支持された接触部１０５を示す平面図であり、図１５は、図１４のＩ−Ｉ断面を模式的に示す断面図である。また、図１６は、支持部１０９の斜視図である。
【００６２】
上述のとおり、人差し指等の術者の一部に接触する接触部１０５は、支持部１０９を用いてマスタフレーム１１０に取り付けられている。支持部１０９は、マスタフレーム１１０に片持ち支持された部材であって、フレーム接続部１９１と、弾性部１９３と、固定部１９４とを有する。支持部１０９は、例えば、ステンレス鋼により形成され得る。図１６に示したように、支持部１０９は、弾性部１９３の一部と合わせて断面Ｕ字状を成すフレーム接続部１９１と、接触部１０５の平面形状に略対応する平面形状を有する固定部１９４と、フレーム接続部１９１と固定部１９４との間に設けられた弾性部１９３とを有する。
【００６３】
固定部１９４は、３つの小孔１９５ａ，１９５ｂ，１９５ｃと、１つの大孔１９７とを有する。３つの小孔１９５ａ，１９５ｂ，１９５ｃには、それぞれ、接触部１０５及び振動発生源６７を取り付けるための固定ネジ１９８が挿入される。また、大孔１９７には、振動発生源６７の一部が挿入され、振動発生源６７と接触部１０５との直接的な接触を可能にしている。これにより、振動発生源６７が発生した振動が術者に伝達されやすくなっている。
【００６４】
一方、支持部１０９のフレーム接続部１９１は、振動減衰部材１６５を介してマスタフレーム１１０に装着されている。振動減衰部材１６５は、力センサ６１と振動発生源６７との間に介在して、振動発生源６７から発生した振動を吸収し、当該振動の力センサ６１への伝達を抑制する。本実施形態では、振動減衰部材１６５は、マスタフレーム１１０と支持部１０９との間に配置されるシート状の部材であり、振動発生源６７が取り付けられた支持部１０９の振動がマスタフレーム１１０に伝達されることを抑制することで、振動発生源６７の振動が、マスタフレーム１１０及び筐体１０１等を介して力センサ６１に伝達されにくくなっている。かかる振動減衰部材１６５が支持部１０９とマスタフレーム１１０との間に配置されることで、振動発生源６７が生成する振動は、振動減衰部材１６５を介することなく接触部１０５に伝達され得る。
【００６５】
かかるシート状の振動減衰部材１６５は、例えば、炭素繊維強化樹脂、ゴム、発泡性スポンジ、発泡性合成樹脂、又はゲルの少なくとも１つにより形成されてもよい。これらの高減衰率素材は、支持部１０９からマスタフレーム１１０への振動の伝達率を効果的に低減し得る。中でも、炭素繊維強化樹脂からなるシート状の振動減衰部材１６５が用いられる場合、振動の低伝達率の実現と併せて高い剛性が得られる。
【００６６】
また、支持部１０９の弾性部１９３は、振動周波数帯域制限部としての機能を有する。本実施形態において、弾性部１９３は、フレーム接続部１９１と固定部１９４とを接続する略Ｕ字状を有する部位であり、中央に開口部１９２を挟んで設けられた第１の弾性部１９３ａ及び第２の弾性部１９３ｂを有する。かかる弾性部１９３は、適宜の弾性定数を有するように構成され、所定の周波数を超える振動の伝達を制限するローパスフィルタとしての機能を実現する。したがって、力センサ６１にとって必要なダイナミックレンジに合わせて選択的に振動帯域を調整することが可能になる。
【００６７】
例えば、弾性部１９３の弾性定数は、弾性部１９３の構成材料のヤング率、第１の弾性部１９３ａ及び第２の弾性部１９３ｂの厚さ、大きさ又は形状、あるいは、開口部１９２の大きさのうちの少なくとも１つを調節することによって、所望の値に設定することができる。例えば、力センサ６１により検出される力は、比較的低い周波数帯域の振動に相当するものであるため、かかる周波数帯域を超える周波数の振動の伝達が制限されるように弾性部１９３の弾性定数が設定されてもよい。これにより、マスタフレーム１１０及び筐体１０１等を介して、力センサ６１に高い周波数の振動が伝達されて、スレーブ装置の駆動制御及び術者への力覚提示の精度が低下することを抑制することができる。
【００６８】
本実施形態では、力センサ６１と振動発生源６７との間において、振動発生源６７が取り付けられる位置の近傍に、振動減衰部材１６５、及び振動周波数帯域制限部としての弾性部１９３が設けられている。つまり、振動伝達抑制構造は、マスタフレーム１１０を回動させるために人差し指等が載せられる接触部１０５の近くに設けられる。このため、操作部１００を把持する手から操作部１００の位置や向きを変位させるための力が入力される部分と、力センサ６１との間において、振動伝達抑制構造によって振動の伝達が制限されることがない。したがって、操作部１００の位置や向きを変位させるための力を減衰させることなく、力センサ６１に伝達させることができる。一方、振動発生源６７と接触部１０５との間には、振動伝達抑制構造が介在しないため、術者に対する触覚提示への影響を低減することができる。
【００６９】
図１７は、振動伝達抑制構造による振動伝達抑制効果を説明するための図である。図１７中の破線は、振動発生源６７が生成し得る振動とその大きさを示している。また、図１７中の実線は、振動減衰部材１６５による減衰後の振動とその大きさを示している。
【００７０】
図１７に示すように、術者への触覚提示を行う際に振動発生源６７により生成される振動は、例えば、２１０〜２２０Ｈｚの帯域にピークを有し、かつ、当該ピークの帯域よりも高い周波数の振動が、ピークの帯域よりも低い周波数の振動よりも大きく現れる。かかる振動発生源６７により生成される振動は、振動減衰部材１６５によって減衰される。図１７に示した例では、周波数が高い帯域の振動の減衰度合いが比較的大きくなっている。
【００７１】
また、力センサ６１にとって必要なダイナミックレンジ、つまり、マスタ装置６０を操作する術者によって操作部１００に与えられる力の振動周波数は、例えば、１３０Ｈｚ以下である場合が多い。この場合、振動周波数帯域制限部としての弾性部１９３によって、１３０Ｈｚを超える周波数の振動の伝達を抑制することによって、力センサ６１には、破線で囲んだ周波数帯域以外の振動が伝達されにくくなる。つまり、図１７中の破線で囲まれた周波数帯域の振動が力センサ６１側に伝達され得る一方、それ以外の周波数帯域の振動は力センサ６１側に伝達されにくくなる。これにより、力センサ６１によって検出される情報を用いたスレーブ装置の駆動制御及び術者への力覚提示の制御を精度よく実行させることができる。
【００７２】
このように、本実施形態に係るマスタ装置６０は、操作部１００に振動減衰部材１６５を有することによって、術者に触覚を提示するための振動発生源６７により生成された振動が、力センサ６１に伝達されることを抑制することができる。また、マスタ装置６０は、操作部１００に振動周波数帯域制限部としての弾性部１９３を有することによって、力センサ６１にとって必要なダイナミックレンジ以外の振動の伝達を抑制することができる。このため、振動発生源６７の振動による力センサ６１への振動ノイズが低減されて、力センサ６１の信号雑音比（ＳＮ比）が改善される。これにより、力センサ６１の感度を向上させることができる。
【００７３】
（３−３．変形例）
ここまで、本実施形態に係るマスタ装置６０の操作部１００の構成例を説明した。操作部１００に設けられる振動伝達抑制構造の構成は、上記の実施形態の例に限られない。以下、振動伝達抑制構造の変形例の幾つかを説明する。
【００７４】
（３−３−１．第１の変形例）
図１８は、第１の変形例に係る振動伝達抑制構造を示す説明図である。かかる図１８は、図１５の断面図に対応する図であり、図１４のＩ−Ｉ断面の模式図に相当する。第１の変形例に係る振動伝達抑制構造では、支持部１０９の固定部１９４に接触部１０５及び振動発生源６７を固定するにあたり、接触部１０５及び振動発生源６７が直接的に固定部１９４に当接しないように構成される。
【００７５】
具体的に、第１の変形例において、支持部１０９のフレーム接続部１９１とマスタフレーム１１０との間には、上記の実施形態の振動伝達抑制構造と同様に、第１の振動減衰部材１６５ａが配置されている。また、支持部１０９には、上記の実施形態の振動伝達抑制構造と同様に、振動周波数帯域制限部としての弾性部１９３が設けられている。第１の変形例では、固定ネジ１９８を用いて固定された振動発生源６７と固定部１９４との間に、第２の振動減衰部材１６５ｂが配置されている。さらに、固定ネジ１９８を用いて固定された接触部１０５と固定部１９４とが直接接しないように、接触部１０５と固定部１９４との間には隙間が設けられている。
【００７６】
したがって、振動発生源６７により生成された振動が、直接的に、又は、接触部１０５を介して、支持部１０９に伝達されにくくなって、当該振動が、マスタフレーム１１０に伝達されることを抑制する効果をさらに高めることができる。これにより、振動発生源６７により生成された振動が、マスタフレーム１１０及び筐体１０１等を介して力センサ６１に伝達されることが抑制され、力センサ６１の感度をさらに向上させることができる。
【００７７】
なお、第１の変形例において、接触部１０５と固定部１９４との間にも振動減衰部材が配置されていてもよい。また、第１の変形例において、第２の振動減衰部材１６５ｂを設ける代わりに、第１の振動減衰部材１６５ａが省略されてもよい。
【００７８】
（３−３−２．第２の変形例）
図１９は、第２の変形例に係る振動伝達抑制構造を示す説明図である。かかる図１９は、図１５の断面図に対応する図であり、図１４のＩ−Ｉ断面の模式図に相当する。第２の変形例に係る振動伝達抑制構造では、振動発生源６７が、支持部１０９により上下に挟持される。
【００７９】
具体的に、第２の変形例において、支持部１０９のフレーム接続部１９１とマスタフレーム１１０との間には、上記の実施形態の振動伝達抑制構造と同様に、第１の振動減衰部材１６５ａが配置されている。また、支持部１０９には、上記の実施形態の振動伝達抑制構造と同様に、振動周波数帯域制限部としての弾性部１９３が設けられている。第２の変形例では、支持部１０９の固定部１９４がＵ字状に折り返されて、折返部１９４ａが形成されている。振動発生源６７は、折返部１９４ａ上に載置され、かつ、固定ネジ１９８を用いて固定部１９４に固定されている。
【００８０】
このとき、振動発生源６７と固定部１９４との間に、第２の振動減衰部材１６５ｂが配置され、振動発生源６７と折返部１９４ａとの間に、第３の振動減衰部材１６５ｃが配置されている。また、固定ネジ１９８を用いて固定された接触部１０５と固定部１９４とが直接接しないように、接触部１０５と固定部１９４との間には隙間が設けられている。
【００８１】
第２の変形例に係る振動伝達抑制構造では、支持部１０９が振動発生源６７を上下に挟持する構成の場合であっても、振動発生源６７により生成された振動が、直接的に、又は、接触部１０５を介して、支持部１０９に伝達されにくくなる。したがって、当該振動がマスタフレーム１１０に伝達されることを抑制する効果をさらに高めることができる。これにより、振動発生源６７により生成された振動が、マスタフレーム１１０及び筐体１０１等を介して力センサ６１に伝達されることが抑制され、力センサ６１の感度をさらに向上させることができる。
【００８２】
なお、第２の変形例において、接触部１０５と固定部１９４との間にも振動減衰部材が配置されていてもよい。また、第２の変形例において、第２の振動減衰部材１６５ｂ及び第３の振動減衰部材１６５ｃを設ける代わりに、第１の振動減衰部材１６５ａが省略されてもよい。
【００８３】
（３−３−３．第３の変形例）
図２０及び図２１は、第３の変形例に係る振動伝達抑制構造を示す説明図である。かかる図２０及び図２１は、それぞれ図１５の断面図に対応する図であり、図１４のＩ−Ｉ断面の模式図に相当する。第３の変形例に係る振動伝達抑制構造では、振動発生源６７と固定部１９４との間に、中間部品１９９が設けられる。図２０に示した例は、第１の変形例に対して第３の変形例を適用した例であり、図２１に示した例は、第２の変形例に対して第３の変形例を適用した例である。
【００８４】
具体的に、第３の変形例において、振動発生源６７の上部と固定部１９４の下面との間には中間部品１９９が設けられている。かかる中間部品１９９は、振動発生源６７及び第２の振動減衰部材１６５ｂとともに、固定ネジ１９８により固定部１９４に固定される。中間部品１９９の中央部は、固定部１９４に設けられた大孔１９７に挿通されて、接触部１０５に接する。また、中間部品１９９は、下部において振動発生源６７に接し、振動発生源６７により生成された振動を接触部１０５に伝達する。第２の振動減衰部材１６５ｂは、中間部品１９９と固定部１９４の下面との間に配置されている。また、接触部１０５と固定部１９４との間には隙間が設けられている。
【００８５】
中間部品１９９から固定部１９４に対する振動の伝達を抑制する。
第３の変形例に係る振動伝達抑制構造では、振動発生源６７の上部と固定部１９４との間に中間部品１９９が設けられる場合であっても、振動発生源６７により生成された振動が、中間部品１９９又は接触部１０５を介して、支持部１０９に伝達されにくくなる。したがって、当該振動がマスタフレーム１１０に伝達されることを抑制する効果をさらに高めることができる。これにより、振動発生源６７により生成された振動が、マスタフレーム１１０及び筐体１０１等を介して力センサ６１に伝達されることが抑制され、力センサ６１の感度をさらに向上させることができる。
【００８６】
なお、第３の変形例において、接触部１０５と固定部１９４との間にも振動減衰部材が配置されていてもよい。また、第３の変形例において、第２の振動減衰部材１６５ｂ及び第３の振動減衰部材１６５ｃを設ける代わりに、第１の振動減衰部材１６５ａが省略されてもよい。
【００８７】
（３−３−４．第４の変形例）
図２２は、第４の変形例に係る振動伝達抑制構造を示す説明図である。かかる図２２は、図１５の断面図に対応する図であり、図１４のＩ−Ｉ断面の模式図に相当する。第４の変形例に係る振動伝達抑制構造では、支持部１０９の固定部１９４ｂの上面に振動発生源６７及び接触部１０５が固定される。
【００８８】
具体的に、第４の変形例において、支持部１０９のフレーム接続部１９１とマスタフレーム１１０との間には、上記の実施形態の振動伝達抑制構造と同様に、第１の振動減衰部材１６５ａが配置されている。また、支持部１０９には、上記の実施形態の振動伝達抑制構造と同様に、振動周波数帯域制限部としての弾性部１９３が設けられている。第４の変形例では、振動発生源６７と接触部１０５とが一体となって構成されている。一体とされた振動発生源６７及び接触部１０５は、支持部１０９の固定部１９４ｂ上に取り付けられている。振動発生源６７と固定部１９４ｂとの固定方法は特に限定されない。振動発生源６７が固定部１９４ｂの上面に取り付けられる分、固定部１９４ｂの位置は、上記実施形態に係る振動伝達抑制構造の場合に比べて低くなっている。図２２に示した例では、振動周波数帯域制限部としての弾性部１９３が、Ｕ字状ではなくＳ字状を有することにより、固定部１９４ｂの位置が下方にずらされている。
【００８９】
振動発生源６７と固定部１９４ｂとの間には、第２の振動減衰部材１６５ｂが配置されている。また、接触部１０５についても、支持部１０９に直接接しないように隙間が設けられている。したがって、振動発生源６７により生成された振動が、直接的に、又は、接触部１０５を介して、支持部１０９に伝達されにくくなって、当該振動が、マスタフレーム１１０に伝達されることを抑制する効果をさらに高めることができる。これにより、振動発生源６７により生成された振動が、マスタフレーム１１０及び筐体１０１等を介して力センサ６１に伝達されることが抑制され、力センサ６１の感度をさらに向上させることができる。
【００９０】
なお、第４の変形例において、第２の振動減衰部材１６５ｂを設ける代わりに、第１の振動減衰部材１６５ａが省略されてもよい。
【００９１】
（３−３−５．第５の変形例）
図２３は、第５の変形例に係る振動伝達抑制構造を示す説明図である。かかる図２３は、図１５の断面図に対応する図であり、図１４のＩ−Ｉ断面の模式図に相当する。第５の変形例に係る振動伝達抑制構造では、振動周波数帯域制限部の構成が上記の実施形態に係る振動伝達抑制構造の場合と異なっている。
【００９２】
具体的に、第５の変形例において、支持部１０９のフレーム接続部１９１とマスタフレーム１１０との間には、上記の実施形態の振動伝達抑制構造と同様に、第１の振動減衰部材１６５ａが配置されている。また、第５の変形例において、振動発生源６７と接触部１０５とは一体となって構成され、マスタフレーム１１０に片持ち支持された支持部１０９の固定部１９４ｃ上に取り付けられている。振動発生源６７と固定部１９４ｃとの間には、第２の振動減衰部材１６５ｂが配置されている。
【００９３】
第５の変形例において、支持部１０９のフレーム接続部１９１から連設された固定部１９４ｃの基端側には、板厚が薄くされた薄肉部１９６が設けられている。薄肉部１９６の剛性は、他の部分に比べて小さいため、薄肉部１９６は弾性を有する。かかる薄肉部１９６は、振動発生源６７からマスタフレーム１１０側に伝達される振動の周波数帯域を制限する振動周波数帯域制限部として機能する。かかる薄肉部１９６は、適宜の弾性定数を有するように構成され、所定の周波数を超える振動の伝達を制限するローパスフィルタとしての機能を実現する。したがって、力センサ６１にとって必要なダイナミックレンジに合わせて選択的に振動帯域を調整することが可能になる。
【００９４】
例えば、薄肉部１９６の弾性定数は、薄肉部１９６の構成材料のヤング率、あるいは、薄肉部１９６の厚さ、大きさ、配置位置又は形状のうちの少なくとも１つを調節することによって、所望の値に設定することができる。かかる薄肉部１９６によっても、マスタフレーム１１０及び筐体１０１等を介して、力センサ６１に高い周波数の振動が伝達されて、スレーブ装置の駆動制御及び術者への力覚提示の精度が低下することを抑制することができる。これにより、振動発生源６７により生成された振動が、力センサ６１への振動ノイズとして伝達されることが抑制され、力センサ６１の感度をさらに向上させることができる。
【００９５】
なお、第５の変形例において、第２の振動減衰部材１６５ｂを設ける代わりに、第１の振動減衰部材１６５ａが省略されてもよい。
【００９６】
（３−３−６．第６の変形例）
図２４は、第６の変形例に係る振動伝達抑制構造を示す説明図である。かかる図２４は、図１５の断面図に対応する図であり、図１４のＩ−Ｉ断面の模式図に相当する。第６の変形例に係る振動伝達抑制構造では、振動減衰部材の取り付け方が上記の実施形態に係る振動伝達抑制構造の場合と異なっている。図２４に示した例は、第５の変形例に対して第６の変形例を適用した例である。
【００９７】
具体的に、上記の実施形態及び各変形例では、振動減衰部材は、フレーム接続部１９１とマスタフレーム１１０との間、あるいは、振動発生源６７と固定部１９４との間に配置されたシート状の部材であったのに対して、第６の変形例では、振動減衰部材１６５ｄは、支持部１０９のフレーム接続部１９１と固定部１９４ｄとを接続する部材として構成される。つまり、第６の変形例に係る振動伝達抑制構造では、支持部１０９は、例えばステンレス鋼により形成されるフレーム接続部１９１側の部分及び固定部１９４ｄ側の部分が、振動減衰部材１６５ｄを介して連結されて構成される。
【００９８】
固定部１９４ｄ上には、例えば、接触部１０５と一体にされた振動発生源６７が直接取り付けられている。また、固定部１９４ｄのうちの基端側には、振動周波数帯域制限部としての薄肉部１９６が設けられている。振動減衰部材１６５ｄは、例えば、Ｈ字状の断面を有して、それぞれの端部がフレーム接続部１９１側の部分及び固定部１９４ｄ側の部分に固定されている。第６の変形例に係る振動減衰部材１６５ｄについても、例えば、炭素繊維強化樹脂、ゴム、発泡性スポンジ、発泡性合成樹脂、又はゲルの少なくとも１つにより形成されてよい。
【００９９】
振動減衰部材１６５ｄは、振動発生源６７により生成された振動を減衰して、マスタフレーム１１０に伝達されにくくする。また、薄肉部１９６は、振動発生源６７からマスタフレーム１１０側に伝達される振動の周波数帯域を制限する。これにより、振動発生源６７により生成された振動が、力センサ６１への振動ノイズとして伝達されることが抑制され、力センサ６１の感度をさらに向上させることができる。
【０１００】
なお、第６の変形例において、振動減衰部材１６５ｄ以外にも、支持部１０９のフレーム接続部１９１とマスタフレーム１１０との間、あるいは、固定部１９４ｄと振動発生源６７との間の少なくとも一方に、振動減衰部材が設けられてもよい。
【０１０１】
（３−３−７．第７の変形例）
図２５は、第７の変形例に係る振動伝達抑制構造を示す説明図である。かかる図２５は、図１５の断面図に対応する図であり、図１４のＩ−Ｉ断面の模式図に相当する。第７の変形例に係る振動伝達抑制構造は、コイルばねを用いて振動周波数帯域制限部を構成した例である。
【０１０２】
具体的に、第７の変形例において、支持部１０９は、フレーム接続部１９１と固定部１９４ｅとを有する。フレーム接続部１９１はマスタフレーム１１０に装着され、固定部１９４ｅはマスタフレーム１１０から離れる方向へと延在している。支持部１０９は、マスタフレーム１１０に片持ち支持されている。図２５に示した例では、固定部１９４ｅ上に、接触部１０５が一体とされた振動発生源６７が取り付けられている。第５の変形例において、振動発生源６７と固定部１９４ｅとの間には、振動減衰部材１６５ｅとコイルばね１８９とが配置されている。図２５に示した例では、固定部１９４ｅ上で２本のコイルばね１８９が振動発生源６７を支持し、当該２本のコイルばね１８９の周りを囲むようにして振動減衰部材１６５ｅが配置されている。
【０１０３】
振動発生源６７により生成された振動は、振動減衰部材１６５ｅにより減衰されて固定部１９４ｅに伝達され得る。また、振動発生源６７と固定部１９４ｅとの間に設けられたコイルばね１８９は、振動周波数帯域制限部として機能する。かかるコイルばね１８９は、適宜の弾性定数を有するように構成され、所定の周波数を超える振動の伝達を制限するローパスフィルタとしての機能を実現する。したがって、力センサ６１にとって必要なダイナミックレンジに合わせて選択的に振動帯域を調整することが可能になる。これにより、振動発生源６７により生成された振動が、力センサ６１への振動ノイズとして伝達されることが抑制され、力センサ６１の感度をさらに向上させることができる。
【０１０４】
なお、第７の変形例において、コイルばね１８９の配置位置や形態は上記の例に限定されない。振動周波数帯域制限部は、コイルばね１８９以外のばね構造によって構成されてもよい。また、振動減衰部材１６５ｅについても、配置位置や形態は上記の例に限定されない。さらに、第７の変形例において、振動減衰部材１６５ｅ以外にも、支持部１０９のフレーム接続部１９１とマスタフレーム１１０との間に、振動減衰部材が設けられてもよい。
【０１０５】
＜４．まとめ＞
以上説明したように、本実施形態に係る力覚提示装置としてのマスタ装置６０は、力センサ６１と振動発生源６７との間に介在する振動減衰部材１６５を有する。このため、振動発生源６７により生成された振動は減衰されて力センサ６１側に伝達される。したがって、力センサ６１の検出対象である、術者によって操作部１００に入力される力ではない振動発生源６７による振動ノイズが力センサ６１に伝達されることを抑制することができる。
【０１０６】
また、本実施形態に係るマスタ装置６０は、力センサ６１と振動発生源６７との間に介在する振動周波数帯域制限部を有する。このため、所定の周波数帯域以外の周波数の振動が振動発生源６７から力センサ６１側に伝達されることが抑制される。したがって、力センサ６１のダイナミックレンジに対応する周波数帯域以外の振動が振動発生源６７から力センサ６１に伝達されることを抑制することができる。
【０１０７】
このようにして、本実施形態に係るマスタ装置６０は、振動発生源６７により生成された振動が、力センサ６１への振動ノイズとして伝達されることが抑制され、力センサ６１の感度を向上させることができる。したがって、触覚提示機能を兼ね備えた力覚提示装置において、術者への力覚提示を精度よく行うことができる。
【０１０８】
また、本実施形態に係るマスタ装置６０は、力センサ６１の周波数特性や、振動発生源６７の周波数特性に応じて、振動減衰部材１６５及び振動周波数帯域制限部の硬度や剛性、ヤング率、弾性定数の少なくとも１つを調節することにより、触覚提示のための振動の強度と、力センサ６１への振動ノイズの低減度合いとのバランスを調節することができる。したがって、触覚提示機能を兼ね備えた力覚提示装置において、術者への触覚提示及び力覚提示をバランスよく行うことができる。
【０１０９】
以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。また、上記実施形態及び上記各変形例を適宜組み合わせたものも、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１１０】
例えば、上記実施形態では、振動発生源６７により生成された振動が、振動発生源６７に接する接触部１０５を介して術者の指に伝達されるように構成されていたが、本開示は係る例に限定されない。例えば、接触部１０５が省略され、振動発生源６７に術者の指が直接接触するように構成されてもよい。
【０１１１】
また、上記実施形態では、振動周波数帯域制限部が、所定の弾性定数を有する部材を用いて実現されていたが、本開示は係る例に限定されない。例えば、第１の振動伝達部７０が振動発生源６７の駆動信号を生成する際に、あらかじめ、信号処理によって駆動信号を整形することで、力センサ６１に伝達される振動の周波数帯域を制限してもよい。
【０１１２】
また、上記実施形態では、筆記用のペン型の操作部１００を有する把持力覚提示装置を例に採って説明したが、本開示はかかる例に限定されない。例えば、力覚提示装置は、ハサミ型の把持力覚提示装置としてもよい。また、力覚提示装置は、医療ロボットシステムに適用可能な装置に限られず、産業用製品や娯楽用製品等の種々の装置に適用されてもよい。
【０１１３】
また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。
【０１１４】
なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）ユーザによって操作される操作部に入力される力を検出する力センサと、
前記ユーザに触覚を提示するための振動発生源と、
前記力センサと前記振動発生源との間に介在する振動減衰部材と、
を備えた、力覚提示装置。
（２）前記操作部は、前記ユーザの一部に接触する接触部を有し、
前記振動発生源は、前記接触部の近傍に設けられ、
前記振動減衰部材は、前記接触部の近傍において、前記力センサと前記振動発生源との間に介在する、前記（１）に記載の力覚提示装置。
（３）前記操作部は、前記ユーザにより入力される力を受けて変位する可動部を含む把持デバイスであって、前記可動部に前記ユーザの指に接触する前記接触部を有し、
前記振動減衰部材は、前記可動部に設けられる、前記（２）に記載の力覚提示装置。
（４）前記操作部はフレーム部を有し、前記接触部は前記フレーム部に片持ち支持された支持部に設けられ、
前記振動減衰部材は、前記フレーム部と前記支持部との間に介在する、前記（２）又は（３）に記載の力覚提示装置。
（５）前記振動発生源が発生する振動は、前記振動減衰部材を介することなく前記接触部に対して伝達される、前記（２）〜（４）のいずれか１項に記載の力覚提示装置。
（６）前記振動減衰部材は、炭素繊維強化樹脂、ゴム、発泡性スポンジ、発泡性合成樹脂、又は、ゲルの少なくとも１つにより形成される、前記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の力覚提示装置。
（７）前記力センサと前記振動発生源との間に介在する振動周波数帯域制限部をさらに備える、前記（１）〜（６）のいずれか１項に記載の力覚提示装置。
（８）前記振動周波数帯域制限部は、所定の周波数未満の帯域の振動を前記力センサ側に伝達する、前記（７）に記載の力覚提示装置。
（９）前記振動周波数帯域制限部は、前記振動発生源側から前記力センサに伝達させる振動周波数の帯域に応じた剛性を有する、前記（７）又は（８）に記載の力覚提示装置。
（１０）前記振動周波数帯域制限部は、ばね構造又はヒンジ構造を有する、前記（７）〜（９）のいずれか１項に記載の力覚提示装置。
（１１）前記操作部は、前記ユーザの一部に接触する接触部を有し、
前記振動発生源は、前記接触部の近傍に設けられ、
前記振動周波数帯域制限部は、前記接触部の近傍において、前記力センサと前記振動発生源との間に介在する、前記（７）〜（１０）のいずれか１項に記載の力覚提示装置。
（１２）前記操作部は、前記ユーザにより入力される力を受けて変位する可動部を含む把持デバイスであって、前記可動部に前記ユーザの指に接触する前記接触部を有し、
前記振動周波数帯域制限部は、前記可動部に設けられる、前記（１１）に記載の力覚提示装置。
（１３）前記操作部はフレーム部を有し、前記接触部は前記フレーム部に片持ち支持された支持部に設けられ、
前記振動周波数帯域制限部は、片持ち支持構造に設けられた弾性構造からなる、前記（１１）又は（１２）に記載の力覚提示装置。
（１４）前記力覚提示装置は、マスタスレーブ装置のマスタ側デバイスである、前記（１）〜（１３）のいずれか１項に記載の力覚提示装置。
（１５）前記力覚提示装置は、医療用の術具の遠隔操作を行う入力装置である、前記（１４）に記載の力覚提示装置
【符号の説明】
【０１１５】
１          医療ロボットシステム
６０        マスタ装置（力覚提示装置）
６１        力センサ
６５        モータ
６７        振動発生源
７９        制御装置
１００      操作部
１０５      接触部
１０９      支持部
１１０      マスタフレーム
１６５      振動減衰部材
１９１      フレーム接続部
１９３      弾性部（振動周波数帯域制限部）
１９４      固定部
【図１】
2018061683.tif 000003
【図２】
2018061683.tif 000004
【図３】
2018061683.tif 000005
【図４】
2018061683.tif 000006
【図５】
2018061683.tif 000007
【図６】
2018061683.tif 000008
【図７】
2018061683.tif 000009
【図８】
2018061683.tif 000010
【図９】
2018061683.tif 000011
【図１０】
2018061683.tif 000012
【図１１】
2018061683.tif 000013
【図１２】
2018061683.tif 000014
【図１３】
2018061683.tif 000015
【図１４】
2018061683.tif 000016
【図１５】
2018061683.tif 000017
【図１６】
2018061683.tif 000018
【図１７】
2018061683.tif 000019
【図１８】
2018061683.tif 000020
【図１９】
2018061683.tif 000021
【図２０】
2018061683.tif 000022
【図２１】
2018061683.tif 000023
【図２２】
2018061683.tif 000024
【図２３】
2018061683.tif 000025
【図２４】
2018061683.tif 000026
【図２５】
2018061683.tif 000027
【国際調査報告】
2018061683.tif 000028
2018061683.tif 000029
2018061683.tif 000030
2018061683.tif 000031